不同因素对质子交换膜燃料电池的影响

张 洁，刘立群

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

不同因素对质子交换膜燃料电池的影响

张 洁，刘立群

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

随着能源危机及环境问题日益加剧，一种无污染且效率较高的电池——质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究对实际应用也日趋重要，研究的主要指标则是输出特性。根据质子交换膜燃料电池的数学模型，在simulink环境下建立了其稳态模型并进行仿真。对影响质子交换膜燃料电池输出特性的因素(单个电池的电压，活化过电压，欧姆过电压，浓差过电压，功率以及电池效率)进行分析，以电流密度为横轴，得出在不同工作温度，不同气体压强以及不同膜的水含量的情况下质子交换膜燃料电池的最佳稳态输出特性。通过优化参数，改善燃料电池的性能，这对质子交换膜燃料电池的实际应用具有重要的意义。

质子交换膜燃料电池；数学模型；simulink稳态模型；输出特性

目前，我们常用的电池种类有锂电池、铅酸蓄电池等[1]，相比之下，燃料电池是一种高效率无污染的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视，其中，质子交换膜燃料电池具有工作温度低、开始动作比较快、构造简单、无污染、使用时间长的特点，在宇宙飞船航天飞机及潜艇动力源方面以及汽车电站和便携式电源等民用领域得到广泛应用，且研究意义重大[2]。本文主要通过质子交换膜燃料电池的数学模型，搭建其稳定状态下仿真模型，分析在不同影响因素下PEMFC性能指标的趋势，即其输出特性的变化，以便于对燃料电池更高效的应用。

1 PEMFC的工作原理

PEMFC的内部工作原理即为氢氧生成水的化学反应。首先，燃料氢气和氧气分别由气体分配器到正极和负极，并通过电极再到催化层。在正极催化剂的影响下，氢气分解为氢离子和电子，氢离子从质子交换膜到达负极[2]。反应式为：

2H2→4H++4e-

质子交换膜只允许氢离子穿过，而电子只有经由外电路这一路径至负极，在此过程中产生电流，最后再与氢离子和氧气结合起来，生成产物水，在此反应发生中，产生的能量以热能的形式表现出来[2]。反应式为：

O2+4H++4e-→2H2O

总电池反应式：

2H2+O2→2H2O+电能+热量

2 PEMFC的数学模型

在燃料电池中只有当有电流流动时，才能从燃料电池获得电能，且燃料电池的输出电压会因各种损耗，造成实际燃料电池的电动势随着平衡电势的降低而减小。这种不可逆损耗即为极化过电压。主要有：活化极化；欧姆极化；浓差极化。这些极化电压损耗将会使PEMFC的实际输出电压小于其理论值[3]。一般在电流密度较小时，主要影响电压损耗的是激活损耗即第一种损耗；在电流密度较大时，主要影响电压损耗的是浓度损耗即第三种损耗。单个电池输出电压[4-5]为：

Vcell=E-Vact-Vohm-Vcon

(1)

其中，E表示PEMFC的热力学电动势；Vact表示活化极化过电压；Vohm表示欧姆极化过电压；Vcon表示浓差极化过电压。

(1)燃料电池热力学电动势：

(2)

其中，pO2表示氧气在阴极的分压力；pH2表示氢气在阳极下的分压力[4]。

(2)活化极化过电压：

Vact=-0.9514+(0.00286+0.0002lnA+

4.3×10-5lnCH2)T-1.87×10-4Tlni+

7.4×10-5TlnCO2

(3)

CO2表示氧气的液相浓度；

CH2表示氢气的液相浓度；

A表示有效电池面积；i表示电流密度。

(3)欧姆极化过电压：

Vohm=

(4)

其中，tm表示质子交换膜的厚度，取为51 μm[6]；λ表示质子交换膜水含量，在理想条件下取为14，在过饱和条件下，一般取22或者23.

(4)浓差极化过电压：

Vcon=mexp(ni)

(5)

其中，m，n表示PEM燃料电池反应时的质量传递系数，n=8；

m=

(6)

PEM燃料电池的输出功率和效率：

P=VstackI

(7)

其中，Vstack表示串联的PEMFC的电压总和，取燃料电池的串联数量为35；

(8)

结合上式分析，最佳情况下的PEMFC在反应过程中是双向作用的，且保持温度不变。在这种情况下其工作效率都在百分之六十至百分之九十[4]，但是，因为有极化的电压损耗，其工作性能一定会下降，所以，取μf=1.2.

3 Simulink仿真模型及结果

图1为PEMFC的稳态模型图[7-11]，其中电流密度i用一个时钟发生器信号表示，仿真时间为15 s,电流密度最大限度为1.5 A/cm2.结合建立m文件[12]，得出以下仿真图。

(1)温度对PEMFC稳态性能的影响

取pH2=pO2=3atm，单个PEMFC的输出电压、活化过电压；欧姆过电压；浓差过电压以及效率的变化曲线，如图2～图6.

仿真结果表明，在同一电流密度时，随着PEMFC的工作温度的升高，其三种损耗电压都减小，单个PEMFC的输出电压增加，电池效率随之提高。随着电流密度的增大，单个PEM燃料电池的输出电压减小，电池效率也降低，因此应该控制电流密度的最大限度值，即控制工作时的电流值。

(2)氢气和氧气的压强对PEMFC稳态性能的影响

取T=343.15K，单个PEMFC的电压、工作效率的变化曲线，如图7、图8.

仿真结果表明，在同一电流密度时，随着阴阳极气体压强的增大，极化电压减小，热力学电动势增加，因此，单个PEMFC的输出电压增加，其工作效率也得到提高。

(3)膜的水含量对PEMFC稳态性能的影响

取T=343.15K，pH2=pO2=3 atm，单个PEMFC的电压、工作效率的变化曲线，如图9、图10.

图1 PEMFC的稳态模型Fig.1 PEMFC steady-state model

图2 单个PEMFC在各个温度下的电压变化曲线Fig.2 PEMFC single voltage curve at each temperature

图3 在不同温度下活化过电压的变化曲线Fig.3 Activation over-voltage curve at different temperatures

图4 在不同温度下欧姆过电压的变化曲线Fig.4 Ohm over-voltage curve at different temperatures

图5 在不同温度下浓差过电压的变化曲线Fig.5 Concentration over-voltage curve at different temperatures

图6 单个PEMFC在不同温度下的效率变化曲线Fig.6 Single PEMFC efficiency curve at different temperatures

图7 单个PEMFC反应物在不同压力下的电压变化曲线

图8 单个PEMFC反应物在不同压力下的效率变化曲线

图9 单个电池在不同膜的水含量下的电压变化曲线

图10 单个电池在不同膜的水含量下的效率变化曲线

仿真表明，在同一电流密度下，当膜的水含量为λ=7时，即PEMFC在50%湿度的状态下，单个燃料电池的输出电压要小于在膜的水含量为λ=14时，即PEMFC处于最佳理想湿度的状态；而对于膜的水含量为λ=19和λ=22时，PEMFC处于过饱和状态，单个PEMFC的输出电压没有显著的增大；燃料电池效率的变化趋势相似。

4 结 论

通过上述仿真结果得到，当PEMFC工作时：在一定变化范围内，升高其工作时的温度,增大阴阳两极气体压强，都能使其效率提高，性能得到改善；对于质子交换膜的水含量这一因素，当膜的水含量增加到一定值，PEMFC的性能将不再有明显改善；当燃料电池的电流密度超过其上限值，其工作效率明显下降，影响电池性能。

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EffectofDifferentFactorsontheProtonExchangeMembraneFuelCell

ZHANG Jie，LIU Li-qun

(Taiyuan University of Science and Technology，Electronic Information Engineering，Taiyuan 030024，China)

With the growing energy crisis and environmental concerns growing，the research of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)on practical application has become increasingly important，which is a non-polluting and more efficient battery. The main indicator is the output characteristic. According to the mathematical model based on proton exchange membrane fuel cell，its steady-state model was established and simulation was doue in simulink environment. To obtain the best output characteristics under different operating temperatures，different gas pressure and water content of different membrane for proton exchange membrane fuel cell，as the current density to abscissa，the factors that affect the output characteristics (the voltage of the single cell，the activation overvoltage，ohmic overvoltage，the concentration over-voltage，power efficiency and battery)of proton exchange membrane fuel cell are analyzed. By setting the optimal parameters，improving the performance of the fuel cell has important meaning for the practical application of proton exchange membrane fuel cells.

proton exchange membrane fuel cell,mathematical model,simulink steady-state model,the output characteristics

1673-2057(2018)01-0012-06

2016-01-12

山西省应用基础研究项目(201601D011058)；煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室开放课题(MEI201603)

张洁(1991-),硕士研究生，主要研究方向为新能源发电。

TM911.42

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2018.01.003